2. Фотоелектричний ефект Теоретичні відомості

2.1. Фотоелектричний ефект та його закони

Гіпотеза Планка про те, що світло випромінюється і поглинається окремими порціями – квантами, була підтверджена і набула подальшого розвитку при дослідженні інших явищ: фотоелектричному ефекті, хімічній дії світла, ефекті Комптона тощо.

Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається виривання електронів з речовини під дією світла. Це явище було виявлено Г. Герцем у 1887 р., який помітив, що при освітленні негативного електрода іскрового розрядника ультрафіолетовими променями розряд відбувається при меншій напрузі між електродами ніж без такого освітлення. Фотоефект як самостійне фізичне явище детально вивчав у 1888-1890 роках О.Г. Столєтов. Схему дослідів Столєтова зображено на рис. 2.

Рис. 2

Плоский конденсатор, однією з пластин якого була мідна сітка С, а другою – цинкова пластина П, було увімкнено через гальванометр Г у кого акумуляторної батареї. При освітленні негативно зарядженої пластини у колі виникав електричний струм, який називається фотострумом. На основі своїх дослідів Столєтов зробив такі висновки: 1) найбільшу дію проявляють ультрафіолетові промені;

2) сила фотоструму зростає пропорційно освітленості пластини;

3) під дією світла метал втрачає негативно заряджені частинки.

Експериментальні дослідження фотоефекту в металах показали, що це явище залежить не лише від хімічної природи металу, а і від стану його поверхні. Дуже малі забруднення поверхні металу значною мірою впливають на емісію електронів під дією світла. Тому для вивчення фотоефекту користуються вакуумною трубкою, схема якої зображена на рис. 3.

Рис. 3

Катод К, покритий металом, що досліджується, освітлюється монохроматичним світлом, яке проходить у трубку крізь вікно В. Напругу між анодом і катодом регулюють за допомогою потенціометра П і вимірюють вольтметром V. Дві акумуляторні батареї Б₁ і Б₂, що увімкнуті “назустріч одна одній“, дають можливість за допомогою потенціометра змінювати не лише абсолютну величину , а й знак напруги U. Фотострум вимірюється гальванометром Г. На рис. 4 зображені криві залежності сили фотоструму І від напруги U, які відповідають двом різним енергетичним освітленостям катода: Е₁ (крива a) і Е₂ > Е₁ (крива b). Частота світла в обох випадках однакова.

Рис. 4

Існування фотоструму в області негативних напруг від нуля до –U₀ пояснюється тим, що фотоелектрони, які покидають катод, мають відмінну від нуля початкову кінетичну енергію. За рахунок зменшення цієї енергії електрони можуть здійснювати роботу проти сил затримуючого електричного поля в трубці і досягти анода. Очевидно, що максимальна початкова швидкість υ_max фотоелектронів пов`язана з U₀ співвідношенням

mυ_max / 2 = eU₀, (2.1)

де e і m – відповідно, абсолютна величина заряду електрона і його маса.

При U ≤ -U₀ фотострум зникає, тому І = 0. Із збільшенням напруги U фотострум поступово зростає, оскільки дедалі більше число фотоелектронів буде здатне досягти анода. Максимальне значення струму І_н, яке називається фотострумом насичення, відповідає таким значенням напруги U, при яких усі фотоелектрони досягають анода,

І_н = е∙n, (2.2)

де n – число фотоелектронів, які вилітають із катода за 1 секунду.

На дослідах встановлені такі основні закони фотоефекту:

1)число фотоелектронів n, які вириваються з катода за одиницю часу, є пропорційним інтенсивності світла (фотострум насичення є пропорційним енергетичній освітленості Е катода);

2)максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності;

3)для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота ν₀ світла, при якій ще можливий фотоефект. Величина ν₀ залежить від хімічної природи речовини і стану її поверхні.

Досліди показують, що фотоефект є практично безінерційним.